磁阻传感器在导航上的应用研究.docxVIP

背景：随着科学技术的发展，人类的活动领域的不断扩大，导航仪器成为各种交通运输设备中的重要组成分。在航海上，船舶主要安装了陀螺罗经，陀螺罗经虽然具有稳定的指向、受环境干扰小等优点，但是陀螺罗经结构复杂易出故障，维修费用昂贵。所以通常情况下，虽然安装了陀螺罗经，仍然需要安装罗盘，以预防陀螺罗经一旦发生故障，仍可依据罗盘继续航行。另外罗经还可以将其航向信号传递给雷达、电子海图系统等设备，与其他导航设备一起构成磁导航系统。GPS是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，使用方便、成本低廉，其必威体育精装版的实际定位精度已经达到5米以内。但是GPS系统存在易受干扰、动态环境中可靠性差以及数据输出频率低等不足，尤其是在高楼林立的城市，或者车辆通过隧道及立交桥时，GPS卫星信号将很差甚至中断而无法定位。精度高、成本低的电子罗盘成为导航系统辅助设备的最佳选择。电子罗盘设计要求：此电子罗盘为各交通运输设备搭载使用，因此必须具备以下特性：1，操作简捷，保证驾驶员行车安全；2，实时性强，设备能及时测定方位，罗盘处理速度快；3，精度高，成本低，具有市场竞争力；4，稳定性好，能排除周围环境的干扰。方案的选择：目前应用测量地磁场原理制成的电子罗盘主要有三种：磁通门式电子罗盘、霍尔效应式电子罗盘和磁阻效应式电子罗盘。(1)磁通门式磁场传感器。磁通门式磁敏传感器又称为磁饱和式磁敏传感器。它是利用某些高导磁率的软磁性材料(如坡莫合金)作磁芯，以其在交变磁场作用下的磁饱和特性及法拉第电磁感应原理研制成的测磁装置。从原理上讲，它通过测量线圈中磁通量的变化未感知外界的磁场大小，为了达到较高的灵敏度，必须要增加线圈横截面积，因而磁通门式电子罗盘不可避免的增大了体积和功耗，处理电路也会相对复杂，基于磁通门式磁场传感器的罗盘成本会很高。(2)霍尔效应磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是霍尔(A．H．Hall，1855--1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。后来发现半导体、导电流体等也有这种效应，而半导体的霍尔效应比金属强得多，利用这现象制成的各种霍尔元件，此类传感器的优点是重量轻、功耗和体积小、成本低、接口电路简单，特别适用于强磁场的测量，其缺点是灵敏度低、噪声大、温度特性差。基于霍尔效应可以测量外界磁场，虽然有些高灵敏度的霍尔磁场传感器通过采取聚磁措施也可以测量地球磁场，但目前只应用在对精度要求不高的场合，高性能的磁航向系统一般不予采用。(3)磁阻效应磁场传感器。铁、钻、镍及其合金材料具有各向异性，这些磁性材料在弱磁场下的电阻变化率较大，故较适合于在弱磁场条件下使用。对磁性材料进行磁化时，其磁化方向取决于材料的易磁化轴、材料的形状和磁化磁场的方向。当给磁性材料通电流I时，材料的电阻取决于电流的方向与磁化方向的夹角θ。如果给材料施加一个磁场M(被测磁场)，就会使原来的磁化方向转动：若磁化方向转向垂直于电流的方向，即θ角增大，电阻将减小；如果磁化方向转向平行于电流的方向，即θ角减小，电阻将增大，电流方向与电阻值近似成为COS2θ关系或近似成直线，这就是磁阻效应。这种磁阻传感器在一定范围内输出电压与被测磁场近似成正比，其灵敏度和线性度等方面的性能明显优于霍尔器件，同时体积小、功耗低、抗干扰能力强、温度特性好、易于与数字电路匹配。因此磁阻传感器在测量弱磁场以及基于弱磁场的地磁导航、磁航向系统研制、位置检测等方面显示出巨大的优势。本次科研训练采用基于各向异性磁阻(AMR Anisotropy of magneto resistance)效应的传感器。此效应发生在包括透磁合金在内的铁质材料中，透磁合金是镍与铁的合金，早在20世纪早期就被用作变压器设计中的传感材料。测量原理：众所周知，在我们的地球表面空间分布着磁场．强度大约为0．5～0．6Gauss，方向总是指向磁北，因此地球表面的任意一点的磁场都有一个指向磁北的磁场分量。通过在北半球，地球磁场向下指向北极；在赤道，地球磁场平行于地球表面，同时也指向北极；在南半球，向上指向北极。磁传感器正是利用地球磁场的这一特点来确定载体相对于磁北的方位。在载体坐标系下，磁航向α定义为载体纵轴(载体前进的方向)在水平面上的投影与当地子午线(磁北)的夹角。当载体的前进方向和磁北重台时，磁航向角为0°，按照顺时针方向，磁航向角α用0°到360°之间的角度值来表示。载体坐标系的三个相互垂直的轴，分别称为Ox轴、OY轴、0Z轴。如下图，沿三个相互垂直的轴分别安装三个测量磁场分量的磁传感器，分别用来测量地磁场在OX、0Y和OZ上的磁场分量Hx、Hv、Hz。地磁场分解图通过测量坐标系中X、Y、Z三个方向上的磁场可以确定载体的方位角及倾斜状态，由于本设计系统主要针对船舶等平面运行设备，所以只考虑水平磁场分量H，于是公式简化为：磁航向可以由下式计算：